控制與仿真的一般知識課件

1、1課程教學(xué)目標(biāo)及要求以基礎(chǔ)知識和應(yīng)用能力培養(yǎng)為目標(biāo)，注重應(yīng)用型人才專業(yè)技能和實(shí)用技術(shù)的培養(yǎng)系統(tǒng)地學(xué)習(xí)計算機(jī)控制與仿真的基本知識、基本理論及其應(yīng)用技術(shù)掌握仿真原理及仿真算法，熟練運(yùn)用MATLAB和SIMULINK對控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真編程、調(diào)試及運(yùn)行課程講授中，強(qiáng)調(diào)以應(yīng)用技術(shù)為主線，通過實(shí)例分析強(qiáng)化知識的的理解教學(xué)內(nèi)容由淺入深，循序漸進(jìn)，層次清晰，脈絡(luò)分明，突出重點(diǎn)，相關(guān)概念、理論及應(yīng)用均以基本要求為主第1頁/共30頁2 通過本章學(xué)習(xí)，應(yīng)該掌握以下內(nèi)容：第1章 控制與仿真的一般知識自動控制的基本概念及其應(yīng)用控制系統(tǒng)的分類和總體性能要求系統(tǒng)仿真的概念及其特點(diǎn)系統(tǒng)仿真的分類及仿真過程計算機(jī)仿真的特點(diǎn)及其

2、應(yīng)用 第2頁/共30頁3 1. 系統(tǒng)的定義 控制工程中，由相互聯(lián)系、相互作用的物體所形成的具有特定功能和運(yùn)動規(guī)律的有機(jī)整體稱為系統(tǒng)。 日常生活中常見的溫度控制、速度調(diào)節(jié)、交通管理、民航訂票、生態(tài)監(jiān)控等等，都可以看作是一個完整的系統(tǒng)。1.1.1 系統(tǒng)的含義與特性 1.1 自動控制的基本知識 第3頁/共30頁4 2. 系統(tǒng)的三要素（1）實(shí)體：系統(tǒng)是由一些相互聯(lián)系的實(shí)際物體組合而成的，這些物體稱為實(shí)體。（2）屬性：組成系統(tǒng)的每個實(shí)體都具備一定的特征，這些特征稱為系統(tǒng)的屬性。（3）活動：系統(tǒng)在內(nèi)外部因素的作用下會按照一定的規(guī)律發(fā)生變化，此變化過程稱之為活動。 自然界中的系統(tǒng)形形色色，其外在形狀或內(nèi)部構(gòu)

3、造存在一定的差別，總歸由一些實(shí)體組成，每個實(shí)體有一些主要屬性，各個系統(tǒng)有其主要的活動。 第4頁/共30頁5 3. 系統(tǒng)的特性 一個完整的系統(tǒng)應(yīng)該具備以下幾個方面的主要特性：（1）整體性（2）結(jié)構(gòu)性（3）相關(guān)性（4）歷時性（5）有序性第5頁/共30頁61.1.2 自動控制的概念及應(yīng)用 1. 自動控制的相關(guān)概念（1）控制：對被控對象進(jìn)行主動的干預(yù)、管理和操縱的過程。（2）自動控制：采用控制裝置自動地、有目的地對機(jī)器設(shè)備或生產(chǎn)過程進(jìn)行控制，使之達(dá)到預(yù)期的狀態(tài)或性能要求。（3）自動控制系統(tǒng)：指由控制裝置與被控對象等結(jié)合起來且能夠?qū)Ρ豢貙ο蟮囊恍┪锢砹窟M(jìn)行自動控制的一個有機(jī)整體。第6頁/共30頁7 2.

4、 自動控制的任務(wù) 利用控制裝置自動地操縱控制對象，使被控量等于系統(tǒng)所應(yīng)保持的給定值。 若系統(tǒng)給定值以時間函數(shù)表示，被控量以時間函數(shù)表示，則自動控制的任務(wù)可以采用下面的數(shù)學(xué)表達(dá)式來表示： 式 中：被控量也稱為輸出量給定值也稱為輸入量第7頁/共30頁8 1.1.3 對控制系統(tǒng)的性能要求 系統(tǒng)在外信號作用下被控量隨時間變化的過程稱動態(tài)過程，也叫過渡過程； 當(dāng)輸出量穩(wěn)定在新的平衡狀態(tài)并保持不變時，稱穩(wěn)態(tài)過程。 工程實(shí)際中對控制系統(tǒng)的總體性能要求是：系統(tǒng)穩(wěn)定程度要高動態(tài)過程平穩(wěn)性要好系統(tǒng)響應(yīng)時間要短最終控制精度要高 概括為穩(wěn)、快、準(zhǔn)三個字。第8頁/共30頁91.2 控制系統(tǒng)的組成及分類 1.2.1 控制

5、系統(tǒng)的組成 以圖1-3所示典型閉環(huán)控制系統(tǒng)為例。 圖1-3 典型閉環(huán)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖第9頁/共30頁10 1. 典型裝置及其含義（1）控制裝置G1：對被控對象起控制作用的設(shè)備總稱（2）被控對象G2：系統(tǒng)中的被控制對象（3）反饋環(huán)節(jié)H：用于檢測系統(tǒng)輸出狀況的測量裝置（4）比較環(huán)節(jié)：在系統(tǒng)中進(jìn)行信號疊加的作用點(diǎn)2. 各類信號及其含義（1）輸入信號：系統(tǒng)外部輸入量，即給定值（2）輸出信號：系統(tǒng)的輸出量，也稱被控制量（3）主反饋信號：從系統(tǒng)輸出端取出，經(jīng)過測量和變換又引入到系統(tǒng)輸入端的信號（4）偏差信號：輸入信號與主反饋信號之差，erb（5）控制信號：控制裝置的輸出量（6）干擾信號：系統(tǒng)內(nèi)部和外部的干擾

6、量第10頁/共30頁113. 有關(guān)的名詞術(shù)語（1）前向通道：從系統(tǒng)輸入端到輸出端的正向傳輸通道（2）主反饋通道：從輸出量到主反饋信號之間的通道（3）主反饋回路：前向通道與主反饋通道的閉合回路（4）局部反饋回路：信號從前向通道與反饋通道連續(xù)傳輸?shù)拈]合回路。（5）單位反饋系統(tǒng)：主反饋環(huán)節(jié)H=1時（6）非單位反饋系統(tǒng)：主反饋環(huán)節(jié)H1。第11頁/共30頁121.2.2 控制系統(tǒng)的分類 控制系統(tǒng)有以下幾種分類方法。1. 按系統(tǒng)的物理特征分類（1）工程系統(tǒng)（2）非工程系統(tǒng)2. 按系統(tǒng)的輸出特征分類（1）隨動系統(tǒng)（2）自動穩(wěn)定系統(tǒng)（3）程序控制系統(tǒng)（4）數(shù)字控制系統(tǒng) 第12頁/共30頁133. 按系統(tǒng)的數(shù)學(xué)

7、模型分類（1）線性系統(tǒng)（2）非線性系統(tǒng)4. 按系統(tǒng)中信號的變化規(guī)律分類（1）線性連續(xù)系統(tǒng)（2）采樣系統(tǒng)（3）離散事件系統(tǒng)5. 按系統(tǒng)的復(fù)雜程度分類（1）簡單系統(tǒng)（2）復(fù)雜系統(tǒng)第13頁/共30頁141.3 開環(huán)控制與閉環(huán)控制的基本原理 按系統(tǒng)輸入信號特點(diǎn)和有無測量反饋信號，可將系統(tǒng)的控制方式分為開環(huán)控制和閉環(huán)控制兩大類。1.3.1 按給定值操縱的開環(huán)控制 按照系統(tǒng)給定值來控制輸出量，兩者之間一一對應(yīng)。其控制過程如圖1-6所示。 按給定值操縱的開環(huán)控制具備以下特點(diǎn)：（1）信號單向傳遞（2）控制精度比較低（3）結(jié)構(gòu)簡單，成本低，容易實(shí)現(xiàn)第14頁/共30頁15圖1-6 按給定值操縱的開環(huán)控制第15頁/

8、共30頁161.3.2 按干擾值補(bǔ)償?shù)拈_環(huán)控制 輸入量是外部干擾信號，經(jīng)過測量利用干擾信號產(chǎn)生控制作用，以補(bǔ)償或抵消其對系統(tǒng)的影響。 控制過程如圖1-8。 圖1-8 按干擾補(bǔ)償?shù)拈_環(huán)控制第16頁/共30頁17按干擾值補(bǔ)償?shù)拈_環(huán)控制具備以下特點(diǎn)：（1）外部輸入干擾量經(jīng)測量、計算、執(zhí)行裝置到被控對象單向傳遞；（2）系統(tǒng)干擾信號端加入測量裝置以后，可將干擾量檢測出來并對其進(jìn)行補(bǔ)償；（3）常用于系統(tǒng)內(nèi)外部干擾信號較大且可以測量的場合。第17頁/共30頁18 1.3.3 按偏差調(diào)節(jié)的閉環(huán)控制 系統(tǒng)輸出量負(fù)反饋到輸入端，靠輸入量與反饋信號之間的偏差對輸出量進(jìn)行控制的系統(tǒng)叫做閉環(huán)控制系統(tǒng)。 原理是通過傳感器

9、測量出系統(tǒng)的實(shí)際輸出值，負(fù)反饋到輸入端與系統(tǒng)的給定值比較產(chǎn)生偏差，再按照偏差的大小自動地加以修正。 其控制過程如圖1-9所示。第18頁/共30頁19圖1-9 按偏差調(diào)節(jié)的閉環(huán)控制 第19頁/共30頁20 按偏差調(diào)節(jié)的閉環(huán)控制系統(tǒng)有以下幾方面的特點(diǎn)：（1）信號可單向傳遞同時又有反饋傳遞，形成閉合回路；（2）為了得到偏差信號須采用負(fù)反饋；（3）可自動修正輸出量偏離給定值，并對系統(tǒng)的內(nèi)、外部干擾進(jìn)行補(bǔ)償；（4）控制精度較高，使用場合比較廣。第20頁/共30頁211.4.1 系統(tǒng)仿真概述 1. 系統(tǒng)仿真的定義 指利用模型對實(shí)際系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究的過程。 2. 數(shù)據(jù)相似原理 主要表現(xiàn)在：（1）描述原型和模

10、型的數(shù)學(xué)表達(dá)式在形式上完全相同；（2）變量之間存在著一一對應(yīng)的關(guān)系且成比例；（3）一個表達(dá)式的變量被另一個表達(dá)式中相應(yīng)變量置換后，表達(dá)式對應(yīng)各項(xiàng)的系數(shù)保持相等。1.4 系統(tǒng)仿真的基本知識第21頁/共30頁223. 系統(tǒng)仿真三要素 將實(shí)際系統(tǒng)、數(shù)學(xué)模型、計算機(jī)稱為系統(tǒng)仿真的三要素。其相互關(guān)系可表示為圖1-13所示。圖1-13 系統(tǒng)仿真三要素的對應(yīng)關(guān)系第22頁/共30頁231.4.2 系統(tǒng)仿真的步驟和過程 1. 系統(tǒng)仿真的步驟 將一個實(shí)際控制系統(tǒng)放到計算機(jī)上進(jìn)行仿真，得出需要的仿真結(jié)果，應(yīng)該經(jīng)歷以下8個步驟：（1）系統(tǒng)定義（2）建立數(shù)學(xué)模型（3）模型變換（4）設(shè)計仿真實(shí)驗(yàn)（5）模型加載（6）仿真實(shí)

11、驗(yàn)（7）模型校驗(yàn)（8）提交仿真報告第23頁/共30頁24 2. 系統(tǒng)仿真的過程 為了將實(shí)際控制系統(tǒng)放到計算機(jī)上仿真并得出需要的仿真結(jié)果，應(yīng)該有以下幾個典型過程。（1）定義系統(tǒng)明確仿真目的（2）建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型（3）將系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型轉(zhuǎn)化換仿真模型（4）編制仿真程序（5）進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)并輸出結(jié)果第24頁/共30頁25 一般情況下，可把系統(tǒng)仿真分成以下三大類別。 1. 按仿真模型的種類劃分（1）物理仿真（2）數(shù)學(xué)仿真（3）數(shù)學(xué)物理仿真 2. 按仿真模型與實(shí)際系統(tǒng)的時間關(guān)系劃分（1）實(shí)時仿真（2）超實(shí)時仿真（3）慢時實(shí)仿真3. 按系統(tǒng)隨時間變化的狀態(tài)分（1）連續(xù)系統(tǒng)（2）離散事件系統(tǒng)仿真 1.4.3

12、系統(tǒng)仿真的分類 第25頁/共30頁261.5 計算機(jī)仿真的特點(diǎn)及其應(yīng)用 1.5.1 計算機(jī)仿真的特點(diǎn)1. 模擬計算機(jī)仿真 優(yōu)點(diǎn)是采用并行運(yùn)算，速度快，輸出為連續(xù)量，易于與實(shí)物連接，比較接近實(shí)際的控制系統(tǒng)； 缺點(diǎn)是計算精度比較低，對復(fù)雜系統(tǒng)仿真時線路上實(shí)現(xiàn)的難度較大，且自動化程度低。2. 數(shù)字計算機(jī)仿真 優(yōu)點(diǎn)是仿真計算精度高，使用方便，修改參數(shù)容易，采用程序控制，自動化程度高； 缺點(diǎn)是由于數(shù)字計算機(jī)的工作是“串行”計算，仿真速度較慢，實(shí)時仿真有一定困難。 第26頁/共30頁273. 混合計算機(jī)仿真 數(shù)模混合計算機(jī)仿真在對控制系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)尋優(yōu)、統(tǒng)計分析等反復(fù)迭代運(yùn)算，以及要求與實(shí)物結(jié)合連續(xù)進(jìn)行實(shí)時仿真、同時又有一些復(fù)雜的函數(shù)需要計算的場合中有著明顯的優(yōu)勢。4. 微型計算機(jī)陣列仿真 采用多臺微型計算機(jī)構(gòu)成全數(shù)字式仿真系統(tǒng)即微型計算機(jī)陣列仿真，可以進(jìn)一步提高仿真的功能和自動化程度，也為分布式控制系統(tǒng)仿真打下良好的基礎(chǔ)。第27頁/共30頁28 由于仿真技術(shù)的特殊功效，特別是安全性和經(jīng)濟(jì)性，使得計算機(jī)仿真得到廣泛的應(yīng)用。 主要?dú)w納為以下兩個方面：1. 控制系統(tǒng)的分析、設(shè)計與試驗(yàn)（1）論證系統(tǒng)設(shè)計立題方案的正